1、天然气的物理化学性质天然气的物理化学性质第二章第二章第二章第二章 天然气的物理化学性质天然气的物理化学性质u确定天然气在各状态下物性参数的方法：确定天然气在各状态下物性参数的方法：l直接取气样进行实验测定；直接取气样进行实验测定；l根据天然气各组分的物理性质、物理规律利用根据天然气各组分的物理性质、物理规律利用混合规则进行计算。混合规则进行计算。第二章第二章 天然气的物理化学性质天然气的物理化学性质第一节第一节 天然气的组成和分类天然气的组成和分类第二节第二节 天然气的分子量、相对密度、密度和比容天然气的分子量、相对密度、密度和比容第三节第三节 天然气偏差系数的确定天然气偏差系数的确定第四节第
2、四节 天然气的等温压缩系数天然气的等温压缩系数第五节第五节 天然气的体积系数和膨胀系数天然气的体积系数和膨胀系数第六节第六节 天然气的粘度天然气的粘度第七节第七节 天然气含水量和溶解度天然气含水量和溶解度一、基本一、基本概念概念 u体系体系(system)指一定范围内一种或几种定量物质构成的整体，指一定范围内一种或几种定量物质构成的整体，又又称物系、系统。称物系、系统。体系可分为单组分和多组分体系。体系可分为单组分和多组分体系。水水多组分体系多组分体系multi-component单组分体系单组分体系single-componentH2O第一节第一节 天然气的组成和分类天然气的组成和分类水水H
3、2OC3、C7、C20油油u组分组分(component)形成体系的各种物质称该体系的各组分，也即形成体系的各种物质称该体系的各组分，也即物系中物系中所有同类的分子。所有同类的分子。一、基本概念一、基本概念拟组分拟组分(pseudo-component)：用于工程计算的一种用于工程计算的一种假想组分假想组分，由物系中几种组分合并成。由物系中几种组分合并成。例如，油气相态研究中常用组分：例如，油气相态研究中常用组分：l纯组分：纯组分：C1、C2、C3；l拟组分：轻烃组分拟组分：轻烃组分C2-6、重烃组分重烃组分C7+水水H2OC3、C7、C20油油一、基本一、基本概念概念u组成组成(compos
4、ition)体系中构成某物质各组分所占的比例。定量表体系中构成某物质各组分所占的比例。定量表示体系或某一相中的组分构成情况。示体系或某一相中的组分构成情况。油油C3、C7、C2010%、20%、70%1 1、天然气、天然气：（烃类、非烃类）：（烃类、非烃类）uNatural gas：指从地下采出的，常温常压下相态指从地下采出的，常温常压下相态为气态的烃类和少量非烃类气体组成的混合物。为气态的烃类和少量非烃类气体组成的混合物。lHydrocarbon：C Cn nH H2n+n2n+n C C1 1(707098%)98%)、C C2 2(10%(90%，C2-C4少，少，C5+甚微，甚微，g0
5、.5-0.6酸性天然气：酸性天然气：S1g/标标m3贫气：贫气：C3+100cm/m3富气：富气：C3+100cm/m3凝析气藏气：地层原始状态呈气态，开发过凝析气藏气：地层原始状态呈气态，开发过程中，当地层压力低于露点压力时有液烃析程中，当地层压力低于露点压力时有液烃析出，出，C160-90%，C5+较高，较高，g0.7-0.9油田伴生气：地下与原油共存，伴随原油产油田伴生气：地下与原油共存，伴随原油产出，出，C160%，C5+甚微，甚微，g1净气：净气：S1g/标标m3一、天然气分子量一、天然气分子量(molecular weight）u定义：标态下定义：标态下1kmol（0、1atm、2
6、2.4m3）天然天然气具有的质量。单位：气具有的质量。单位：kg/kg/kmolkmol 又称又称平均分子量、平均分子量、视分子量视分子量u确定方法：确定方法：niiigMyM1第二节第二节 天然气的分子量、相对密度、密度和比容天然气的分子量、相对密度、密度和比容u定义定义(density)在一定温度压力下，单位体积天然气的质量。在一定温度压力下，单位体积天然气的质量。Vmg/二、天然气的密度二、天然气的密度（Kg/m3）uu计算方法计算方法 在理想条件下，在理想条件下，RTpMVmg实际气体，实际气体，ZRTpMguu定义定义(specific gravity or relative den
7、sity)在在20，0.101MPa下天然气的密度与干燥空气的下天然气的密度与干燥空气的密度之比。密度之比。agg/97.28/ggM三、天然气的相对密度三、天然气的相对密度uu计算方法计算方法 思考题：如何得到？思考题：如何得到？气气 相相C1,C2,C305.005.09.0321yyyu已知：天然气的摩尔组成如下已知：天然气的摩尔组成如下u求：天然气的分子量和相对密度求：天然气的分子量和相对密度三、天然气的相对密度三、天然气的相对密度气气 相相C1,C2,C3l天然气的分子量天然气的分子量:niiigMyM133221MyMyMyi097.4405.007.3005.0043.169.0
8、147.1862.097.28/ggM三、天然气的相对密度三、天然气的相对密度l天然气的相对密度天然气的相对密度:四、天然气的比容四、天然气的比容 uu定义定义(specific volume)单位质量天然气所占据的体积单位质量天然气所占据的体积 gmV1（m3/Kg）uu计算方法计算方法 在理想条件下，在理想条件下，gpMRTmV实际气体，实际气体，gpMZRT第三节第三节 天然气偏差系数的确定天然气偏差系数的确定uu气体状态方程气体状态方程 描述一定量的气体压力、体积、温度之间关系描述一定量的气体压力、体积、温度之间关系 的数学方程式。的数学方程式。一、偏差系数的状态方程一、偏差系数的状态
9、方程 1 1、偏差系数定义、偏差系数定义 指在相同温度、压力下，真实气体所占体积指在相同温度、压力下，真实气体所占体积与相同量理想气体所占体积的比值。与相同量理想气体所占体积的比值。idealactualVVZ/l实际气体分子有体积，真实气体比理想气体难压缩实际气体分子有体积，真实气体比理想气体难压缩l实际气体分子间有引力，真实气体比理想气体易压缩实际气体分子间有引力，真实气体比理想气体易压缩l Z的大小反映了两种相反作用的综合结果的大小反映了两种相反作用的综合结果-Z1，真实气体比理想气体难压缩，体积更大真实气体比理想气体难压缩，体积更大-Z1一、定义一、定义在等温条件下，当体系压力改变单位
10、压力时，单位在等温条件下，当体系压力改变单位压力时，单位体积天然气的体积改变量。体积天然气的体积改变量。TgpVVC1第四节第四节 天然气的等温压缩系数天然气的等温压缩系数 单位：单位：MPa-1二、天然气等温压缩系数的确定二、天然气等温压缩系数的确定由偏差系数的状态方程：由偏差系数的状态方程：nZRTpV pZnRTV)()(pZpnRTpVT)1()(2pZppZnRTpVT)()(2pZpZpnRTpVTTgpVVC1)(2ZpZppnRTZnRTppZZp11二、天然气等温压缩系数的确定二、天然气等温压缩系数的确定 可由相应温度下的可由相应温度下的Zp图在相应的压力图在相应的压力Zp曲
11、曲线上求出该点的线上求出该点的Z值和相应的斜率值和相应的斜率Z/pZ/p，代入上式代入上式即可求出压力即可求出压力p p下的下的C Cg g值。值。pZ/二、天然气等温压缩系数的确定二、天然气等温压缩系数的确定若气体为理想气体，则若气体为理想气体，则Z=1,0pZppZZpCg111在实际应用中，一般不直接根据在实际应用中，一般不直接根据p p计算计算C Cg g值，而将值，而将C Cg g表示为拟对比压力和拟对比温度的函数表示为拟对比压力和拟对比温度的函数prpcprprpZppppZpZ1prpcpppprpcppp prpcprpcgpZZppppZZpC1111二、天然气等温压缩系数的
12、确定二、天然气等温压缩系数的确定计算计算Cg常用公式常用公式pcgprpCCCpr等温拟对比压缩系数：等温拟对比压缩系数：prprpcgprpZZppCC11根据偏差系数根据偏差系数Z和和T Tprpr等温线上的切线斜率等温线上的切线斜率(Z/Z/p)p)TprTpr，可求出可求出C Cg g值。值。二、天然气等温压缩系数的确定二、天然气等温压缩系数的确定1、查、查Standing&KatzStanding&Katz偏差系数图版偏差系数图版已知已知yi或相对密度，或相对密度，p p，T T，求解求解C Cg g（1 1）根据根据yi或相对密度计算或相对密度计算ppc和和Tpc（2）计算拟对比参
13、数计算拟对比参数ppr和和Tpr（3）在在Standing&KatzStanding&Katz偏差系数图版找到偏差系数图版找到Tpr对应对应的的Zppr线，求出线，求出Z（4）求求Zppr线的斜率线的斜率prprprprpZppZZpZ2121（5）计算）计算Cpr，（6）计算计算Cg，prprprpZZpC11pcprgpCC/2、D-A-K（11参数法）参数法）prprprprprTATATATAAZ)/(15544332122876)/(prprprTATAA52879)/(prprprTATAA)exp()/)(1(2113221110prprprprATAA（1）)/(27.0prp
14、rprZTpprprprpZZpC11（2）2、D-A-K（11参数法）参数法）prprprprpZpZ)/(27.0prprprZTp)1(27.0)1(27.022prprprprprprprprprprpZZpZTpZZpZTpprprprprprprZTZZpTp27.0)27.01(22、D-A-K（11参数法）参数法）)1()/(27.0prprprprprZZpZTpZZpZTZpCprprTprprTprprprpr)/(1)/(27.0122、D-A-K（11参数法）参数法）)/()(55443321prprprprTprTATATATAAZprprprprTATAA)/(2
15、287642879)/(5prprprTATAA)exp()(22115211311310prprprprprAAATA已知已知yi或相对密度，或相对密度，p p，T T，求求C Cg g（1 1）根据根据yi或相对密度计算或相对密度计算ppc和和Tpc（2）计算拟对比参数计算拟对比参数ppr和和Tpr（3）对对 pr赋初值，取赋初值，取Z=1，（9）计算计算Cg=Cpr/ppc2、D-A-K（11参数法）参数法）（4）计算）计算F(pr)、F(pr)（5）迭代计算求）迭代计算求 pr（6）将满足精度要求的）将满足精度要求的 pr代入（代入（1）式或（）式或（2）式求）式求Z（7）计算）计算Z
16、/Z/pr（8）将）将 pr、Z、Z/Z/pr代入，求代入，求CprprprprTp/27.0)0(一、定义一、定义相同数量的天然气在地层条件下的体积与其在地相同数量的天然气在地层条件下的体积与其在地面标准条件下的体积之比，面标准条件下的体积之比，用符号用符号B Bg g表示表示 第五节第五节 天然气的体积系数天然气的体积系数两个特定状态，与过程无关两个特定状态，与过程无关单位：单位：m m3 3smsm3 3g g,scgVVB scgVVB 在地面标准状态下，气体体积可按理想气体状态方在地面标准状态下，气体体积可按理想气体状态方程来求取，此时程来求取，此时Zsc=1：scscscnRTVp
17、scscscpnRTV/第五节第五节 天然气的体积系数天然气的体积系数二、确定方法二、确定方法由定义：由定义：ZnRTpV 在地层温度、压力条件下，天然气所占的体积在地层温度、压力条件下，天然气所占的体积可按偏差系数状态方程求出：可按偏差系数状态方程求出：pZnRTV/pTZTppnRTpZnRTVVBscscscscgg/第五节第五节 天然气的体积系数天然气的体积系数在标准状态下，在标准状态下，psc=0.101325,Tsc=293.15KZTpBg15.293101325.0pZT410456.3pTZTpBscscg第五节第五节 天然气的体积系数天然气的体积系数例例1：已知地层压力：已
18、知地层压力p=16.548MPa,地层温度地层温度T=411.9K,g=0.64,VHC=108m3,求天然气的储量。求天然气的储量。解：解：（1）求天然气的临界参数）求天然气的临界参数271813.93ggpcT264.0764.01813.93K27.2062259.0103.0668.4ggpcP264.0259.064.0103.0668.4MPa6278.4第五节第五节 天然气的体积系数天然气的体积系数（2）求天然气的）求天然气的ppr,Tprpcprppp/575.36278.4/548.16pcprTTT/996.127.206/9.411第五节第五节 天然气的体积系数天然气的体
19、积系数（3）求天然气的）求天然气的Z,用用11参数法参数法Z=0.938（4）求天然气的体积系数）求天然气的体积系数pZTBg410456.3548.169.411938.010456.3400807.0第五节第五节 天然气的体积系数天然气的体积系数（5）求天然气的储量）求天然气的储量scHCgVVBgHCscBVV)(m109.12300807.0101388标gHCscBVV第五节第五节 天然气的体积系数天然气的体积系数第六节第六节 天然气的粘度天然气的粘度 一、定义一、定义天然气内摩擦阻力的量度。天然气内摩擦阻力的量度。单位：单位：mPa.s二、确定方法二、确定方法Carr Carr K
20、obayshiKobayshi&Burrows&Burrows图版图版DempseyDempsey方法方法LeeLee等人的方法等人的方法根据气体相对密度或摩尔质量，确定气体粘度根据气体相对密度或摩尔质量，确定气体粘度（1 1）根据）根据T T、g或或M Mg g，查出大气压下的粘度查出大气压下的粘度1 1（2 2）求出求出ppc,Tpc,ppr,Tpr（3）根据ppr,Tpr查高压下的粘度粘度与与1 1之比之比/1 1（4 4）计算）计算=/1 11 11 1、Carr Carr KobayshiKobayshi&Burrows&Burrows图版图版当天然气中含当天然气中含H2S、CO2、
21、N2，首先对大气压下首先对大气压下的粘度进行校正：的粘度进行校正：1 1、Carr Carr KobayshiKobayshi&Burrows&Burrows图版图版SHCON11222)()()()(un)1059.9lg1048.8()(33NN22gy)1073.3lg1049.8()(33SHSH22gy)1024.6lg1008.9()(33COCO22gy2 2、DempseyDempsey方法方法拟合拟合Carr Carr KobayshiKobayshi&Burrows&Burrows图版得到图版得到ggtlg1015.610188.8)328.1)(10062.210709.
22、1(33651prprTT/)expln(112、Dempsey方法)()()()ln(315214131233112109823726543322101prprprprprprprprprprprprprprprprpApApAATpApApAATpApApAATpApApAATA0=-2.46211820 A1=2.97054714 A2=0.286264504 A3=8.5042052210-3 A4=2.80860949 A5=-3.49803305 A6=0.360373020 A7=-0.01044324 A8=-0.793385684A9=1.39643306 A10=-0.14
23、9144925 A11=4.41015512 10-3A12=0.0839387178 A13=-0.186408848 A14=0.0203367881 A15=-6.09579263 10-32、Dempsey方法当天然气中含当天然气中含H2S、CO2、N2，首先对大气压下首先对大气压下的粘度进行校正：的粘度进行校正：2、Dempsey方法SHCON11222)()()()(un3、Lee等人的计算关系式)exp(104ygXKTMTMKgg8.119209)87.1)(02.04.9(5.1gMTX01.08.19865.3Xy2.04.2-天然气的粘度，mPa.ST-绝对温度，Kg-天
24、然气密度，g/cm3ZTpgg48658.3例1：已知g=0.8,T=338.55K,p=13.79MPa,Z=0.791,求g解：2.238.02929ggMTMTMKgg8.119209)87.1)(02.04.9(5.184.11755.3388.12.2319209)55.33987.1)(2.2302.04.9(5.13、Lee等人的计算关系式等人的计算关系式gMTX01.08.19865.32.2301.055.3388.19865.335.5ZTpgg48658.3)g/m(1436.055.338791.079.138.048658.333、Lee等人的计算关系式等人的计算关系
25、式)exp(104ygXKS)mPa(0177.0)1436.035.5exp(84.1171033.143、Lee等人的计算关系式等人的计算关系式第七节第七节 天然气含水量和溶解度天然气含水量和溶解度 一、天然气的水露点和烃露点一、天然气的水露点和烃露点1 1、天然气的水露点、天然气的水露点是指在一定压力下与天然气的饱和水蒸汽量对应是指在一定压力下与天然气的饱和水蒸汽量对应的温度；或在一定压力下，天然气中的水蒸汽开的温度；或在一定压力下，天然气中的水蒸汽开始冷凝结露的温度。始冷凝结露的温度。2 2、天然气的烃露点、天然气的烃露点是指在一定压力下，气相中析出第一滴是指在一定压力下，气相中析出第
26、一滴“微小微小”的烃类液体的平衡温度。的烃类液体的平衡温度。二、天然气中的含水量二、天然气中的含水量 1 1、天然气中含水量的表示方法、天然气中含水量的表示方法用绝对湿度和相对湿度表示用绝对湿度和相对湿度表示绝对湿度：每绝对湿度：每1 1 m m3 3的湿天然气所含水蒸汽的质量的湿天然气所含水蒸汽的质量饱和绝对湿度：指在某一温度下，天然气中能含饱和绝对湿度：指在某一温度下，天然气中能含有最大的水蒸汽量有最大的水蒸汽量相对湿度：在同样温度下，绝对湿度与饱和绝对相对湿度：在同样温度下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比湿度之比2 2、影响天然气中含水量的因素、影响天然气中含水量的因素（1 1）随压力增加而
27、降低；）随压力增加而降低；（2 2）随温度增加而增加；）随温度增加而增加；（3 3）在气藏中，与天然气相平衡的自由水中盐）在气藏中，与天然气相平衡的自由水中盐溶解度有关，随含盐量的增加，天然气中含水溶解度有关，随含盐量的增加，天然气中含水量降低；量降低；（4 4）高比重的天然气组分，含水量少。）高比重的天然气组分，含水量少。二、天然气中的含水量二、天然气中的含水量 三、天然气的溶解度三、天然气的溶解度 定义：定义：在一定压力下，单位体积石油或水中所溶解的天在一定压力下，单位体积石油或水中所溶解的天然气量。然气量。溶解度主要取决于温度和压力，同时也与油、水溶解度主要取决于温度和压力，同时也与油、水的性质和天然气的组分有关。的性质和天然气的组分有关。
